CN113682450A - 一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，采用双涡旋吸附系统，以大鲵为仿生对象进行外形结构设计，具有爬行和巡游双模式运动能力；本体外壳设计成艏大艉小的扁平流线型，本体腹部设有Y形流道，腹部两侧设有弧形侧裙结构，辅助涡旋吸附系统产生稳定的地面效应，利于本体牢固地吸附在固体壁面上。本发明通过改进涡旋吸附的应用方式，并参考大鲵的形态和行为特性，对机器人的外形结构及运动性能进行优化，利用数据驱动的分层模型预测控制算法实现多运动模式的快速、准确控制及平稳切换，较现有的爬行或巡游水下机器人具有吸附力牢靠、航行阻力小、运动平稳、机动灵敏等优点。

Description

一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人领域，特别是一种基于双涡旋吸附的兼具爬行和巡游能力的仿大鲵机器人。

背景技术

随着水下机器人应用领域的不断推广扩大，水下自主作业任务的复杂程度也在不断提高，从而增大了对多运动模式水下机器人的应用需求。

双运动模式(简称双模)水下机器人兼具爬行和巡游运动能力，对于水下作业环境具有较强的适应性，但现有双模水下机器人在爬行和巡游运动实现的稳定性和可靠性上仍有不足。目前爬行模式中常见的吸附方式是磁吸附和负压吸附，磁吸附对作业环境的适应性较差，负压吸附中涡旋吸附能够提供稳定的非接触式吸附力，对吸附面(固体壁面)具有很强的适应能力，但是单涡旋吸附机构会对机体产生额外旋转力矩，引起机器人的偏航扰动，需要水平推进器配合推进来抵消干扰，导致水下机器人的运动稳定性和航行效率降低；而多涡旋吸附机构又存在射流干扰问题。此外，现有采用简单圆碟状外形的双模水下机器人存在一些设计缺陷，首先，外形设计缺乏前向导向性，也没有采用定向稳定翼，导致机体在前向运动时俯仰和偏航姿态容易发生摇摆，难以保持稳定的航行状态，限制了机器人在爬行和巡游运动时的机动性与续航能力；其次，圆碟形本体四周布放推进器，推进器结构凸起会增加航行阻力，且整个推进系统的耦合流场结构也缺乏优化设计，大大影响推进器的推进效率；再次，机器人爬行运动不具备支撑脚结构导致机体在爬行运动时难以与吸附面保持固定间隙，容易与吸附面发生碰撞或是脱离，从而难以提供稳定的爬行吸附力；最后，因为双模水下机器人属于多驱动、多模态复杂非线性动力学系统，实现平稳运动控制和模态切换有赖于自适应的鲁棒控制算法，但现有系统鲜有考虑相关问题。

发明内容

本发明旨在解决上述提到的技术难题，通过改进涡旋吸附的应用方式，仿照大鲵外形特征和两栖运动行为，提出一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人。

本发明所采用的技术方案是：一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，采用双涡旋吸附系统，以大鲵为仿生对象进行外形结构设计，具有爬行和巡游双模运动能力。

所述双涡旋吸附系统由一对涡旋生成机构组成，涡旋生成机构分别正、反转运行提供相对于吸附面的吸附力，可以互相抵消附加旋转力矩，不需要周向推进器配合进行力矩补偿，在载体平台底部流道辅助下，就可以使机器人稳固地吸附于固体壁面上，用于实现静止保持或爬行运动。

进一步地，所述涡旋生成机构，基于涡旋吸附机制产生吸附力，由叶轮、半开放式杯状外壳及其驱动机构组成。

所述水下仿生机器人外形结构与大鲵类似，包括本体外壳、四肢及尾翼。

进一步地，所述本体外壳参考大鲵外观设计成艏大艉小的扁平流线型，使机器人前向运动时流场边界层转捩点靠后，产生较低的形态阻力。

进一步地，所述本体外壳腹部设有Y形流道，腹部两侧设有弧形侧裙结构。

进一步地，所述Y形流道前方绕开前部垂向推进器，有利于在涡旋生成机构工作时，减弱前部垂向推进器槽道导致的泄压；Y形流道中后部连接两个涡旋生成机构，此处流道为先收敛后扩散的形式，利用两侧的涡旋生成机构形成后向射流，产生文丘里效应，在本体后部再产生一个低压区，与两个涡旋生成机构生成的低压区一并形成本体腹部的三个低压区，产生稳定的地面效应，有利于机身牢固地吸附在固体壁面上。

进一步地，所述弧形侧裙结构用于在涡旋生成机构工作时减少从本体两侧泄入底部的水流，增大增强本体底部的低压区引起的地面效应，有利于提升双涡旋吸附系统的吸附性能。

进一步地，所述四肢为四个(或三个)爬行支撑脚配合四个周向推进器实现爬行运动，支撑脚用于支撑机器人本体在爬行运动时与吸附面保持稳定的间隙，周向推进器用于提供爬行运动时的驱动力。

进一步地，所述爬行支撑脚在本体下方轴向对称放置，每个爬行支撑脚由流线型支柱和万向轮组成。

进一步地，所述尾翼包括水平尾翼和竖直尾翼，所述水平尾翼水平对称放置在本体艉部，所述竖直尾翼垂直于水平尾翼放置，二者用于提升机器人前向运动的稳定性。

进一步地，所述水平尾翼采用后掠式外形，安装在尾部周向推进器的内侧，一方面避开尾部周向推进器产生的涡流，减少震颤，另一方面，水平尾翼翼尖激发与尾部周向推进器涡流旋转方向相反的翼尖涡流，可以减弱尾部周向推进器产生的涡流，有利于降低整机的航行阻力。

进一步地，所述竖直尾翼采用单立新月形外形，有利于在本体处于不同攻角航行状态下保持尾翼产生稳定的转向效用。

所述水下仿生机器人具有双模运动能力，即仿大鲵兼具爬行和巡游两种运动模式。所述爬行运动模式下，机器人通过所述双涡旋吸附系统产生相对吸附面的吸附力，辅以爬行支撑脚使机器人保持与吸附面的固定间隙，再由周向推进器驱动，使机器人具有沿吸附面爬行的能力。所述巡游运动模式以多推进器系统作为驱动装置，多推进器系统包括至少三个周向推进器和至少一个垂向推进器，多推进器协同驱动实现机器人在水下三维空间内的巡游运动。

进一步地，所述周向推进器水平布置在本体外壳四周，所述垂向推进器竖直布置在本体外壳水平中轴线上。其中周向推进器可以固定在旋转机构上。通过设置各推进器不同的推进比率或改变旋转机构的旋转角度，可对机器人进行前后、侧向、上下运动控制及任意姿态调节，使机器人具有水下全向运动能力。

进一步地，所述周向推进器，其中两个首部周向推进器对称布放在仿大鲵本体外壳鳃部凸起后侧，有利于减小首部周向推进器外凸引起的前进阻力，另外两个尾部周向推进器对称布放在本体外壳尾部聚拢处，有利于使机体流场边界层转捩点靠后，减小机身后方低压区的面积，进一步降低航行阻力。同侧的首尾周向推进器在本体外壳侧面错位布局，增加首尾周向推进器轴向延长线的距离，有利于减少首部周向推进器尾流对尾部周向推进器效用的影响，保证尾部周向推进器的推进效率。

进一步地，所述本体外壳底部设有圆柱状凹槽，用于放置涡旋生成机构，可以充当涡旋生成机构的半开放式杯状外壳；本体外壳还设有垂直贯通槽道，用于放置垂向推进器。

所述水下仿生机器人还包括电源模块、导航通信模块、系统控制模块和探测传感器。所述电源模块、导航通信模块和系统控制模块内置于本体内部至少一个耐压舱中；耐压舱放置在本体外壳内部；所述探测传感器根据需求固定在本体外壳内部或外部。

所述水下仿生机器人采用数据驱动的分层模型预测控制算法，控制算法自下而上分为肢体层、中枢层和决策层，实现对机器人多驱动、多模态复杂非线性动力学行为的自适应鲁棒控制。

进一步地，所述肢体层包括六个单元，其中四个为四个周向推进器及其相连的旋转执行机构分别组成的驱动单元，一个由前后垂向推进器组成的姿态辅助调节单元，一个由两个涡旋生成机构组成的吸附单元；所述肢体层每个单元通过稀疏回归算法对其非线性动力学系统进行稀疏回归系统辨识。所述中枢层用于表征爬行运动、巡游运动及其相互切换过程的动力学行为；所述中枢层通过稀疏回归算法对爬行运动、巡游运动及其相互切换过程的动力学行为进行稀疏回归系统辨识。利用有限的训练数据依次对肢体层、中枢层进行系统辨识，获得机器人非线性动力学系统的低秩估计模型。

进一步地，所述决策层基于机器人非线性动力学系统的低秩估计模型对机器人进行自适应鲁棒模型预测控制，保证控制精度的同时使机器人可以适应环境变化，在有障碍物、环境干扰和动力学约束的条件下，完成在不同运动模式及其相互切换过程中的实时路径规划、轨迹跟踪及运动控制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明基于涡旋吸附原理提出正反转双涡旋生成机构对称布置方式，解决了由于单涡旋生成机构工作时对机器人平台整体产生额外扭矩而造成运动干扰的问题，并针对多涡旋吸附机构之间存在的射流干扰问题，对载体平台底部进行了流道优化设计，使得该机器人具备牢靠的固体壁面吸附能力，能够实现壁面静止保持或沿壁面稳定爬行，为水下自主作业提供稳定的搭载平台。

参考水中生物的形态和行为优势特性，采用水下仿生机器人设计理念，有助于改善并提高双模水下机器人的运动性能和控制能力；两栖动物大鲵兼具快速爬行和巡游运动能力，且运动机制简单，爬行运动时以四肢提供支撑力和前进动力，巡游运动时依靠身体和尾鳍的摆动前进及转向，是优选的爬行、巡游双模水下机器人的仿生对象。

本发明以大鲵为仿生对象，根据其外观中具有参考价值的特征进行外形设计，包括艏大艉小的扁平流线型本体外壳，用于实现爬行运动的四肢，以及加强运动稳定性的尾翼。

与常规鱼雷形无人水下机器人相比，该水下仿生机器人的扁平状本体为双涡旋生成机构和多个推进器提供恰当的承载空间，方便执行机构的灵活布局，利于多运动形式的实现。与圆碟形水下机器人相比，艏大艉小的扁平流线型外形使得机器人前向运动时流场边界层转捩点靠后，有效降低运动阻力的同时还能提高运动的稳定性，利于实现栖底、悬停和长距离航行。

为了保证双涡旋生成机构高效、可靠工作，仿大鲵本体外壳腹部设有Y形流道，腹部两侧设有弧形侧裙结构。Y形流道前方绕开前部垂向推进器，有利于在涡旋生成机构工作时，减弱前部垂向推进器槽道导致的泄压；Y形流道中后部连接两个涡旋生成机构，此处流道为先收敛后扩散的形式，利用两侧的涡旋生成机构形成后向射流，产生文丘里效应，在本体后部再产生一个低压区，与两个涡旋生成机构生成的低压区一并形成本体腹部的三个低压区，产生稳定的地面效应，有利于机身牢固地吸附在固体壁面上。采用弧形侧裙结构，在涡旋生成机构工作时有效减少从本体两侧泄入底部的水流，增大增强本体底部的低压区引起的地面效应，有利于提升双涡旋吸附系统的吸附性能。

仿大鲵外形设计的另一个好处是，可以将两个前部周向推进器对称布放在本体外壳鳃部凸起后侧，有利于减小推进器外凸引起的前进阻力，另外两个后部周向推进器对称布放在本体外壳尾部聚拢处，有利于使机体流场边界层转捩点靠后，减小机身后方低压区的面积，进一步降低航行阻力。此外，同侧的前后周向推进器在本体外壳侧面错位布局，增加前后推进器轴向延长线的距离，有利于减少前部推进器尾流对后部推进器效用的影响，保证后部推进器的推进效率。

水下仿生机器人的尾翼由水平尾翼和竖直尾翼组成。水平尾翼用于保持该机器人在纵剖面内运动的稳定性，减少俯仰摇摆现象；水平尾翼采用后掠式外形，安装在尾部推进器的内侧，一方面避开尾部推进器产生的涡流，减少震颤，另一方面，水平尾翼翼尖激发与尾部推进器涡流旋转方向相反的翼尖涡流，可以减弱尾部推进器产生的涡流，有利于降低整机的航行阻力。竖直尾翼用于保持该机器人航向的稳定，减少偏航摇摆现象；竖直尾翼采用单立新月形外形，有利于在本体处于不同攻角航行状态下保持尾翼产生稳定的转向效用。

参考大鲵两栖行为特点，该水下仿生机器人具有快速爬行和巡游的双模运动能力。爬行运动模式通过双涡旋吸附系统产生相对吸附面的吸附力，依靠四肢即爬行支撑脚使机器人与吸附面保持固定的间隙、由周向推进器提供驱动力，从而使机器人具有沿吸附面稳定爬行的能力。巡游运动模式依靠多推机器协同控制和推进器旋转机构的调节作用，使机器人能够进行前后、侧向、上下运动控制及任意姿态调节，实现三维空间内的敏捷全向运动。

考虑到该水下仿生机器人具有复杂外形以及多个驱动机构，是一个强非线性动力学系统，机器人爬行和巡游模式的系统动力学特性有显著区别，且两种运动模式切换过程中动力学行为受环境影响具有很强的不确定性，本发明采用数据驱动的分层模型预测控制算法，解决因系统动力学特性复杂难以建立准确的动力学模型进行模型预测控制问题，实现对机器人多驱动、多模态复杂非线性动力学行为的自适应鲁棒控制。

该控制算法在机器人处理器算力受限条件下，采用基于稀疏回归的分层系统辨识方法，利用有限的训练数据逐层获得机器人非线性动力学系统的低秩估计模型，并对模型进行迭代优化提高模型精度，保证模型预测控制的快速性和准确性。控制算法自下而上分为肢体层、中枢层和决策层。肢体层包括六个单元，其中四个为四个周向推进器及其相连的旋转执行机构分别组成的驱动单元，一个由前后垂向推进器组成的姿态辅助调节单元，一个由两个涡旋生成机构组成的吸附单元；肢体层每个单元通过稀疏回归算法对其非线性动力学系统进行稀疏回归系统辨识。中枢层用于表征爬行运动、巡游运动及其相互切换过程的动力学行为；中枢层通过稀疏回归算法对爬行运动、巡游运动及其相互切换过程的动力学行为进行稀疏回归系统辨识。利用有限的训练数据依次对肢体层、中枢层进行系统辨识，获得机器人非线性动力学系统的低秩估计模型。决策层基于机器人非线性动力学系统的低秩估计模型对机器人进行自适应鲁棒模型预测控制，保证控制精度的同时使机器人可以适应环境变化，在有障碍物、环境干扰和动力学约束的条件下，完成在不同运动模式及其相互切换过程中的实时路径规划、轨迹跟踪及运动控制。

本发明提出的一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，通过改进涡旋吸附的应用方式，并参考大鲵的形态和行为特性，采用数据驱动的分层模型预测控制算法，使得该机器人兼具稳定可靠的快速爬行和巡游全向运动能力。面向具体应用任务搭载特定探测传感器或作业工具，该机器人可用于执行水下环境探测、水下工程检测、应急搜索及施工作业等复杂任务。

附图说明

图1为本发明基于双涡旋吸附的水下仿生机器人俯视图。

图2为本发明基于双涡旋吸附的水下仿生机器人仰视图。

图3为本发明基于双涡旋吸附的水下仿生机器人主视图。

图4为本发明基于双涡旋吸附的水下仿生机器人后视图。

图5为本发明基于双涡旋吸附的水下仿生机器人左视图。

图6为本发明基于双涡旋吸附的水下仿生机器人右视图。

图中，1为本体外壳，2为竖直尾翼，3为水平尾翼，4为周向推进器，401为周向推进器旋转机构，5为涡旋生成机构，501为叶轮，502为半开放式杯状外壳，6为垂向推进器，7为爬行支撑脚，701为流线型支柱，702为万向轮，8为垂向贯通槽道，9为圆柱状凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。

如图1-6所示，本发明提供的一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，采用双涡旋吸附系统，以大鲵为仿生对象进行外形结构设计，具有爬行和巡游双模运动能力。

所述双涡旋吸附系统由一对涡旋生成机构5组成，涡旋生成机构分别正、反转运行提供相对于吸附面的吸附力，可以互相抵消附加旋转力矩，不需要周向推进器4配合进行力矩补偿，在载体平台底部流道辅助下，就可以使机器人稳固地吸附于固体壁面上，用于实现静止保持或爬行运动。

进一步地，所述涡旋生成机构5，基于涡旋吸附机制产生吸附力，由叶轮501、半开放式杯状外壳502及其驱动机构组成。

所述水下仿生机器人外形结构与大鲵类似，包括本体外壳1、四肢及尾翼。

进一步地，所述本体外壳1参考大鲵外观设计成艏大艉小的扁平流线型，使机器人前向运动时流场边界层转捩点靠后，产生较低的形态阻力。

进一步地，所述本体外壳1腹部设有Y形流道101，腹部两侧设有弧形侧裙结构102。

进一步地，所述Y形流道101前方绕开前部垂向推进器6，有利于在涡旋生成机构5工作时，减弱前部垂向推进器槽道8导致的泄压；Y形流道中后部连接两个涡旋生成机构5，此处流道为先收敛后扩散的形式，利用两侧的涡旋生成机构5形成后向射流，产生文丘里效应，在本体后部再产生一个低压区，与两个涡旋生成机构5生成的低压区一并形成本体腹部的三个低压区，产生稳定的地面效应，有利于机身牢固地吸附在固体壁面上。

进一步地，所述弧形侧裙结构102用于在涡旋生成机构5工作时减少从本体两侧泄入底部的水流，增大增强本体底部的低压区引起的地面效应，有利于提升双涡旋吸附系统的吸附性能。

进一步地，所述四肢为四个(或三个)爬行支撑脚7配合四个周向推进器4实现爬行运动，支撑脚7用于支撑机器人本体在爬行运动时与吸附面保持稳定的间隙，周向推进器4用于提供爬行运动时的驱动力。

进一步地，所述爬行支撑脚7在本体下方轴向对称放置，每个爬行支撑脚7由流线型支柱701和万向轮702组成。

进一步地，所述尾翼包括水平尾翼3和竖直尾翼2，所述水平尾翼3水平对称放置在本体艉部，所述竖直尾翼2垂直于水平尾翼3放置，二者用于提升机器人前向运动的稳定性。

进一步地，所述水平尾翼3采用后掠式外形，安装在尾部周向推进器4的内侧，一方面避开尾部周向推进器4产生的涡流，减少震颤，另一方面，水平尾翼3翼尖激发与尾部周向推进器4涡流旋转方向相反的翼尖涡流，可以减弱尾部周向推进器4产生的涡流，有利于降低整机的航行阻力。

进一步地，所述竖直尾翼2采用单立新月形外形，有利于在本体处于不同攻角航行状态下保持尾翼产生稳定的转向效用。

所述水下仿生机器人具有双模运动能力，即仿大鲵兼具爬行和巡游两种运动模式。所述爬行运动模式下，机器人通过所述双涡旋吸附系统产生相对吸附面的吸附力，辅以爬行支撑脚7使机器人保持与吸附面的固定间隙，再由周向推进器4驱动，使机器人具有沿吸附面爬行的能力。所述巡游运动模式以多推进器系统作为驱动装置，多推进器系统包括至少三个周向推进器4和至少一个垂向推进器6，多推进器协同驱动实现机器人在水下三维空间内的巡游运动。

进一步地，所述水下仿生机器人的周向推进器4水平布置在本体外壳1四周，所述垂向推进器6竖直放置在本体外壳1水平中轴线上。其中周向推进器4可以固定在旋转机构401上。通过设置各推进器不同的推进比率或改变旋转机构的旋转角度，可对机器人进行前后、侧向、上下运动控制及任意姿态调节，使机器人具有水下全向运动能力。

进一步地，所述周向推进器4，其中两个首部周向推进器4对称布放在仿大鲵本体外壳1鳃部凸起后侧，有利于减小首部周向推进器4外凸引起的前进阻力，另外两个尾部周向推进器4对称布放在本体外壳1尾部聚拢处，有利于使机体流场边界层转捩点靠后，减小机身后方低压区的面积，进一步降低航行阻力。同侧的首尾周向推进器4在本体外壳侧面错位布局，增加首尾周向推进器4轴向延长线的距离，有利于减少首部周向推进器尾流对尾部周向推进器效用的影响，保证尾部周向推进器的推进效率。

进一步地，所述水下仿生机器人本体外壳1底部设有圆柱状凹槽9，用于放置涡旋生成机构5，可以充当涡旋生成机构5的半开放式杯状外壳502；本体外壳1还设有垂直贯通槽道8，用于放置垂向推进器6。

所述水下仿生机器人还包括电源模块、导航通信模块、系统控制模块和探测传感器。所述电源模块、导航通信模块和系统控制模块内置于本体内部至少一个耐压舱中；耐压舱放置在本体外壳1内部；所述探测传感器根据需求固定在本体外壳1内部或外部。

所述水下仿生机器人采用数据驱动的分层模型预测控制算法，控制算法自下而上分为肢体层、中枢层和决策层，实现对机器人多驱动、多模态复杂非线性动力学行为的自适应鲁棒控制。

进一步地，所述肢体层包括六个单元，其中四个为四个周向推进器4及其相连的旋转执行机构401分别组成的驱动单元，一个由前后垂向推进器6组成的姿态辅助调节单元，还有一个由两个涡旋生成机构5组成的吸附单元；肢体层每个单元通过稀疏回归算法对其非线性动力学系统进行稀疏回归系统辨识。中枢层用于表征爬行运动、巡游运动及其相互切换过程的动力学行为；中枢层通过稀疏回归算法对爬行运动、巡游运动及其相互切换过程的动力学行为进行稀疏回归系统辨识。利用有限的训练数据依次对肢体层、中枢层进行系统辨识，获得机器人非线性动力学系统的低秩估计模型。

进一步地，所述决策层基于机器人非线性动力学系统的低秩估计模型对机器人进行自适应鲁棒模型预测控制，保证控制精度的同时使机器人可以适应环境变化，在有障碍物、环境干扰和动力学约束的条件下，完成在不同运动模式及其相互切换过程中的实时路径规划、轨迹跟踪及运动控制。

本发明提供的基于双涡旋吸附的水下仿生机器人的工作原理为：

基于双涡旋吸附的水下仿生机器人利用涡旋生成机构5的叶轮501旋转在半开放杯状外壳502内外产生压差，获得相对于吸附面的吸附力。双涡旋吸附系统由一对涡旋生成机构5组成，分别正、反转运行可以互相抵消附加旋转力矩，不需要周向推进器4配合进行力矩补偿，在本体外壳腹部Y形流道101和弧形侧裙结构102辅助下，就可以使机器人稳定地吸附于固体壁面上，用于实现静止保持或爬行运动。

在涡旋吸附力作用下，机器人借助爬行支撑脚7与吸附面保持固定的间隙，配合周向推进器4的驱动作用，机器人具有沿吸附面低阻力、稳定爬行的能力。涡旋生成机构5不工作的情况下，在周向推进器4和垂向推进器6的协同推进作用下，通过设置各推进器不同的推进比率或调整周向推进器旋转机构的旋转角度，机器人能够在水下三维空间内进行前后、侧向、上下及任意姿态的全向运动。

机器人本体外壳1参考大鲵外形结构设计成艏大艉小的扁平流线型，为双涡旋吸附系统和多个推进器提供恰当的承载空间，并提高前向航行的稳定性、减小前向运动的水阻力。机器人还设有互相垂直的水平尾翼3和竖直尾翼2，提高机器人在三维空间内航行的稳定性。此外，机器人四个周向推进器4的布局充分利用了仿大鲵外形的优势，并进行了耦合流场结构优化，减小航行阻力的同时也提升了推进效用。

机器人水下工作过程中，电源模块为所有电器设备和驱动系统提供电能，探测传感器或作业工具执行指定任务，导航通信模块完成机器人航位推算、数据上传及指令接收，系统控制模块控制整个系统的正常运行。

机器人采用数据驱动的分层模型预测控制算法，控制算法自下而上分为肢体层、中枢层和决策层，实现对机器人多驱动、多模态复杂非线性动力学行为的自适应鲁棒控制。在有障碍物、环境干扰和动力学约束的条件下，使机器人完成在不同运动模式及其相互切换过程中的实时路径规划、轨迹跟踪及运动控制。

以上对本发明的具体实施例进行描述。需要理解的是，本发明不局限于上述特定实施方式，本领域工作人员可以在权利要求的范围内作出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，其特征在于：采用双涡旋吸附系统，以大鲵为仿生对象进行外形结构设计，具有爬行和巡游双模式运动能力；

所述双涡旋吸附系统由一对涡旋生成机构组成，涡旋生成机构分别正、反转运行提供相对于吸附面的吸附力，能够互相抵消附加旋转力矩，在载体平台底部流道辅助下，能够使机器人稳固地吸附于固体壁面上，实现静止保持或爬行运动；

所述水下仿生机器人的外形结构包括本体外壳、四肢及尾翼；所述本体外壳设计成艏大艉小的扁平流线型，本体外壳腹部设有Y形流道，腹部两侧设有弧形侧裙结构，辅助双涡旋吸附系统产生稳定的地面效应。

2.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，其特征在于：所述涡旋生成机构基于涡旋吸附机制产生吸附力，由叶轮、半开放式杯状外壳及其驱动机构组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，其特征在于：所述Y形流道前方绕开前部垂向推进器，中后部连接两个涡旋生成机构，此处流道为先收敛后扩散的形式，利用两侧的涡旋生成机构形成后向射流，产生文丘里效应，在本体后部再产生一个低压区，与两个涡旋生成机构生成的低压区一并形成本体腹部的三个低压区，产生稳定的地面效应；所述弧形侧裙结构用于在涡旋生成机构工作时，减少从本体两侧泄入底部的水流，增大增强本体底部的低压区引起的地面效应。

4.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，其特征在于：所述四肢为三个或四个爬行支撑脚配合四个周向推进器实现爬行运动，所述爬行支撑脚用于支撑机器人本体在爬行运动时与吸附面保持稳定间隙，所述周向推进器用于提供爬行运动时的驱动力；所述爬行支撑脚在本体下方轴向对称布置，每个爬行支撑脚由流线型支柱和万向轮组成。

5.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，其特征在于：所述尾翼包括水平尾翼和竖直尾翼，所述水平尾翼水平对称放置在本体艉部，所述竖直尾翼垂直于水平尾翼放置，二者用于提升机器人前向运动的稳定性；所述水平尾翼采用后掠式外形，安装在尾部周向推进器的内侧；所述竖直尾翼采用单立新月形外形。

6.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，其特征在于：仿大鲵兼具爬行和巡游两种运动模式；所述爬行运动模式下，机器人通过所述双涡旋吸附系统产生相对吸附面的吸附力，辅以爬行支撑脚使机器人保持与吸附面的固定间隙，再由周向推进器驱动，使机器人具有沿吸附面爬行的能力；所述巡游运动模式以多推进器系统作为驱动装置，多推进器系统包括至少三个周向推进器和至少一个垂向推进器，多推进器协同驱动实现机器人在水下三维空间内的巡游运动。

7.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，其特征在于：周向推进器水平布置在本体外壳四周，垂向推进器竖直布置在本体外壳水平中轴线上；所述周向推进器可以固定在旋转机构上，通过设置各推进器不同的推进比率或改变旋转机构的旋转角度，对机器人进行前后、侧向、上下运动控制及任意姿态调节，使机器人具有水下全向运动能力；两个首部周向推进器对称布放在仿大鲵本体外壳鳃部凸起后侧，两个尾部周向推进器对称布放在本体外壳尾部聚拢处；同侧的首尾周向推进器在本体外壳侧面错位布局。

8.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，其特征在于：所述本体外壳底部设有圆柱状凹槽，用于放置涡旋生成机构；所述本体外壳还设有垂直贯通槽道，用于放置垂向推进器。

9.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，其特征在于：所述机器人还包括电源模块、导航通信模块、系统控制模块和探测传感器；所述电源模块、导航通信模块和系统控制模块内置于本体内部至少一个耐压舱中；所述耐压舱放置在本体外壳内部；所述探测传感器根据需求固定在本体外壳内部或外部。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于双涡旋吸附的水下仿生机器人，其特征在于：所述机器人采用数据驱动的分层模型预测控制算法，控制算法自下而上分为肢体层、中枢层和决策层，实现对机器人多驱动、多模态复杂非线性动力学行为的自适应鲁棒控制；

所述肢体层包括六个单元，其中四个为四个周向推进器及其相连的旋转执行机构分别组成的驱动单元，一个由前后垂向推进器组成的姿态辅助调节单元，一个由两个涡旋生成机构组成的吸附单元；所述肢体层每个单元通过稀疏回归算法对其非线性动力学系统进行稀疏回归系统辨识；所述中枢层用于表征爬行运动、巡游运动及其相互切换过程的动力学行为；所述中枢层通过稀疏回归算法对爬行运动、巡游运动及其相互切换过程的动力学行为进行稀疏回归系统辨识；利用有限的训练数据依次对肢体层、中枢层进行系统辨识，获得机器人非线性动力学系统的低秩估计模型；

所述决策层基于机器人非线性动力学系统的低秩估计模型对机器人进行自适应鲁棒模型预测控制，保证控制精度的同时使机器人可以适应环境变化，在有障碍物、环境干扰和动力学约束的条件下，完成在不同运动模式及其相互切换过程中的实时路径规划、轨迹跟踪及运动控制。

Images